技术摘要：
本发明涉及一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法，提供平板状焊接试样，建立拉伸力学性能数据与焊接热循环曲线和/或最高温度的对应关系数据库；取与焊接试样同材质的待测试样，以目标焊接工艺参数进行焊接，同时，监测待测试样上目标微区的温度变化情况，获得目标微 全部
背景技术：
焊接是实现材料连接的极其重要的工艺，通过加热或加压，或者同时加热和加压 等方式，使待连接材料之间形成分子间结合而实现永久性连接方法，焊接方法包括熔化焊、 压力焊、钎焊等。熔化焊需要将待焊接的材料和填充材料(亦称为“焊丝”)加热到熔点以上， 形成液态熔池，再凝固得到焊缝；压力焊一般是在加热热和压力同时作用下，使得待焊接材 料达到半固态或者熔点以上，再冷却得到焊缝的过程；在钎焊过程中，所需要的热量较低， 仅需将填充材料熔化再浸润待焊接材料表面获得焊缝的过程。不管何种类型的焊接方法， 焊接过程中均需要输入一定的热量，不仅填充材料会被加热，待焊接材料的相连接部位也 会被加热。往往，这种加热过程和焊接后的冷却过程被视为待连接材料的连接细微区域受 到了一次热处理作用。这种焊接热的作用，可能会改变待连接材料焊接区的显微组织和力 学性能，即接头附近的材料经焊接后，其性能与其原始的性能相比将发生变化，常称之为热 影响。 金属材料是工业中应用最多的材料，其材料的强度主要来源于晶界强化、析出相 强化、位错强化(也称加工硬化)，其晶粒大小(单位体积内的晶界总面积)、位错的密度(单 位体积内的位错长度)、析出相的大小和数量密度(颗粒的形状尺寸和单位体积内的析出相 颗粒数)。目前，金属材料结构件最主要的连接方式为焊接。但是，大多数黑色金属(如纯铁、 碳钢、铸铁等)和有色金属(铝合金、铜合金、钛合金等)对焊接热都具有一定的敏感性。这些 材料经过焊接的热输入后，如果受到加热后的温度升高到上述强化元素的形成温度以上， 焊缝周边的晶粒、物相类型、析出相和位错的形态都会有一定的影响，如加热可能促进析出 相数量的增加，但也可能温度过高导致析出相尺寸的长大和相的变化、如温度升高后位错 密度会降低、如温度升高到再结晶温度以上后晶粒尺寸会进一步长大、如钢材料加热到正 火温度后可形成较多的珠光体强化相等。 为了描述焊接热对焊缝材料的性能影响，一般需清晰描述其热的输入方式，常用 焊接热循环描述，定义为焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程，用焊接热 循环曲线表示。包括最高温度和受热时间等参数。在金属材料焊接时，在焊缝接头的不同区 域所受到的热循环都不一样，因此会获得不同的热影响，如图1所示。因此，焊接接头的不同 细微区域受热后所发生的变化不一样。以低碳钢为例，如图2所示，在越接近焊缝的位置，其 热循环的最高温度越高，甚至可以达到其晶粒的相变区域，如图2中的位置3，其温度达到了 奥氏体化区域，在其焊接完成后相当于进行了正火处理，因此区域称为正火区，可形成较多 的正火珠光体相，其力学性能将获得改善。以6082铝合金为例，如图3所示，图中的位置为参 考点离焊缝中心的距离。如图所示，当距离小于一定距离时，其温度超过150℃后，6082铝合 金中的析出相的状态将受到显著的变化，如当温度超过480℃后，析出相会发生溶解，在随 3 CN 111581862 A 说 明 书 2/10 页 后的降温过程后化学元素形成固溶体状态，其强化效果不如原始析出相强化状态的强度； 当温度超过235℃时，析出相的尺寸将明显发生粗化，其强化效果显著降低，力学性能降低。 由于焊接接头的不同区域所经历的热循环不同，因此不同区域在焊接后的热影响(即最终 的性能不同)。 由上述可知，焊机后可能对焊接接头不同区域的性能强化或弱化。因此，当焊接件 在工程中应用的时候，常需要知道焊接接头各微观区域的力学性能，用于预测焊接结构的 力学性能薄弱区所在位置或接头服役过程中的失效位置。另外，在结构件的有限元仿真强 度校核计算时，往往也需要知道这些微区的力学性能参数，如应力—曲线等数据。 通过实验测试，如焊接接头的拉伸实验(测试方法对应国标为GB-T 2651)可以获 得焊接接头的整体强度和断后伸长率等参数。但所获得的性能指标仍不能完整的或精细的 焊接接头力学性能的精细表征，还需要对各微观区域的力学性能(屈服强度、抗拉强度、伸 长率等)。一般做法是在各微观区域平行于焊缝截面进行切片制作拉伸试样进行拉伸实验。 但当所焊接的材料厚度较薄时，所获得的焊接拉伸试样宽度不够，达不到GB-T 2651的试样 规定尺寸的要求，因此不能开展类似的力学性能表征。 目前，在现有文献中报道了一些焊接接头局部力学性能的测试方法，如：微剪切试 验、微拉伸试验、微冲压试验、人工神经网络预测、Gleeble热循环加载模拟等[1-5]。鉴于焊 接接头各区域的范围较小，微剪切试验和微拉伸试验方法虽然可行，但样件的制备费时、成 本高。微冲压试验则需要先获得力-位移曲线，然后进行有限元反向迭代，由于压头与被测 材料之间存在摩擦且难以估计，测量精度会受到影响。采用人工神经网络预测的方法测试 焊接接头局部力学性能，前提需要有足够的样本数据，才能保证预测的结果可靠，该方法的 工作量巨大。而Gleeble热循环模拟的方法是通过模拟焊接过程中的热循环特征，探究合金 的性能变化，该方法试验费用较高，且难以反映实际焊接时热影响区的真实情况。此外，采 用微试样测试方法，因为样品尺寸比较小，其实验测试精度对尺寸敏感，结果不准确、误差 大。 参考文献： [1]刘静安，王元良，孙鸿.车辆用铝合金型材焊接接头微区性能研究[J].轻合金 加工技术(1):41-43. [2]Lavan D A.Microtensile properties of weld metal[J] .Experimental Techniques，1999，23(3):31-34. [3]王志成，乔及森，陈剑虹，等.轿车用铝合金焊接接头局部力学性能分析[J].焊 接学报，2009，30(1) . [4]石圩,樊丁,陈剑虹.基于神经网络方法的焊接接头力学性能预测[J].焊接学 报，2004，25(2):73-76. [5]Wen Liu，Fenggui Lu，Renjie Yang，et al .Gle-eble simulation of the HAZ in Inconel 617welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2015， 225:221-228.
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法， 4 CN 111581862 A 说 明 书 3/10 页 以高效、准确可靠地预测焊接接头微区力学性能。 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下： 一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法，包括如下步骤： S1、提供平板状焊接试样，所述焊接试样具有至少1条直线边；以所述直线边所在 位置为起点，沿垂直于所述直线边且平行于焊接试样的方向，将所述焊接试样依次划分为 微区L1、微区L2、微区L3、……、微区Ln； 其中，n为正整数；单个微区的厚度不超过2mm； S2、沿所述直线边在焊接试样上施加一道焊缝，同时，分别监测各个微区的温度变 化情况，获得各个微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； 或者，沿所述直线边在焊接试样上施加一道焊缝，并对所述焊接试样进行同条件 下的温度场有限元仿真，获得各个微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； S3、根据各微区的划分情况，对S2处理后的焊接试样进行切割处理，获得拉伸试样 l1、拉伸试样l2、拉伸试样l3、……、拉伸试样ln； S4、对S3获得的各拉伸试样进行拉伸力学性能检测，获得各拉伸试样的力学性能 数据，并建立所述拉伸力学性能数据与焊接热循环曲线和/或最高温度的对应关系数据库； S5、取与所述焊接试样同材质的待测试样，以目标焊接工艺参数进行焊接，同时， 监测待测试样上目标微区的温度变化情况，获得目标微区的焊接热循环曲线和/或最高温 度； 或者，取与所述焊接试样同材质的待测试样，对该待测试样进行目标焊接工艺参 数下的温度场有限元模拟，获取目标微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； S6、将S5获得的焊接热循环曲线和/或最高温度与S4获得的对应关系数据库进行 比对，获得目标微区的拉伸力学性能。 本发明中，最高温度可以理解为相应焊接热循环曲线上温度的最大值。通过最高 温度进行对应及比对，可进一步简化数据库。 单个微区的厚度是指微区在沿垂直于所述直线边且平行于焊接试样的方向的尺 寸。 可选的，以所述直角边的中点所在位置为起点，沿垂直于所述直线边且平行于焊 接试样的方向，将所述焊接试样依次划分为微区L1、微区L2、微区L3、……、微区Ln； 进一步地，S1中，3≤n≤20。 进一步地，S1中，所述焊接试样的厚度t为8-12mm。 进一步地，S1中，所述单个微区的厚度为0.8-1.2mm。 进一步地，S2和/或S5中，可选的，通过接触式测温手段或非接触式测温手段检测 相应微区的温度变化情况，进一步可选的，通过热电偶检测相应微区的温度变化情况；进一 步可选的，通过红外测温装置检测相应微区的温度变化情况。 进一步地，S3中，所述待测试样包括角接接头、对接接头、搭接接头中的至少一种。 进一步地，S4中，所述拉伸力学性能包括抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、应变硬 化指数中的至少一种。 进一步地，试样为铝合金、铜合金、钛合金、纯铁、碳钢、铸铁中的一种。 可选的，所述铝合金为6000系铝合金，进一步为6082铝合金或6061铝合金。 5 CN 111581862 A 说 明 书 4/10 页 通过本发明的等效测试方法，一方面可以有效的开展薄壁焊接接头的微区性能表 征，另一方面，本发明将焊接接头的焊接温度循环曲线或最高温度与目标接头各区域的焊 接温度循环曲线或最高温度进行对应，进而获知目标接头目标位置的力学性能，不需要进 行复杂的制样，简化了测试工艺；因此，采用本方法对焊接接头微区的力学性能预测效率 高、准确可靠。 通过本发明的等效测试方法，可以预测通过某种焊接参数焊接后，焊接接头各微 区的性能，从而不断优化或选择合适的焊接参数。 附图说明 图1是焊接接头的热循环特征图。 图2是低碳钢焊接接头不同细微区域的热影响情况图。 图3是铝合金焊接过程中接头不同位置的温度变化曲线。 图4是焊接试样的断面结构示意图。 图5是焊接试样被夹紧状态的示意图。 图6是焊接试样的有限元网络模型。 图7为仿真(左)和实验(右)获得的焊接成形后的熔池形貌及截面尺寸对比图。 图8为A1、A2、A3点仿真和实验的温度变化曲线对比图。 图9为仿真所获得的焊接过程中样板各微区处于最高温度状态时的温度场分布云 图。 图10(a)为分层取样情况示意图；图10(b)为单个拉伸试样的俯视图。 图11为各等效拉伸试样的工程应力-应变曲线图。 图12为待测试样温度测量点示意图。 图13是仿真及实验的测试点温度变化曲线对比图。 图14为待测试样的温度场分布图。 图15为由待测试样制得的拉伸试样图。 图16为待测试样的仿真网格模型。 图17为待测试样的拉伸有限元模拟结果和试验结果的力-位移曲线。 图中，1-焊接试样，2-夹持装置。
本发明涉及一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法，提供平板状焊接试样，建立拉伸力学性能数据与焊接热循环曲线和/或最高温度的对应关系数据库；取与焊接试样同材质的待测试样，以目标焊接工艺参数进行焊接，同时，监测待测试样上目标微区的温度变化情况，获得目标微 全部
背景技术：
焊接是实现材料连接的极其重要的工艺，通过加热或加压，或者同时加热和加压 等方式，使待连接材料之间形成分子间结合而实现永久性连接方法，焊接方法包括熔化焊、 压力焊、钎焊等。熔化焊需要将待焊接的材料和填充材料(亦称为“焊丝”)加热到熔点以上， 形成液态熔池，再凝固得到焊缝；压力焊一般是在加热热和压力同时作用下，使得待焊接材 料达到半固态或者熔点以上，再冷却得到焊缝的过程；在钎焊过程中，所需要的热量较低， 仅需将填充材料熔化再浸润待焊接材料表面获得焊缝的过程。不管何种类型的焊接方法， 焊接过程中均需要输入一定的热量，不仅填充材料会被加热，待焊接材料的相连接部位也 会被加热。往往，这种加热过程和焊接后的冷却过程被视为待连接材料的连接细微区域受 到了一次热处理作用。这种焊接热的作用，可能会改变待连接材料焊接区的显微组织和力 学性能，即接头附近的材料经焊接后，其性能与其原始的性能相比将发生变化，常称之为热 影响。 金属材料是工业中应用最多的材料，其材料的强度主要来源于晶界强化、析出相 强化、位错强化(也称加工硬化)，其晶粒大小(单位体积内的晶界总面积)、位错的密度(单 位体积内的位错长度)、析出相的大小和数量密度(颗粒的形状尺寸和单位体积内的析出相 颗粒数)。目前，金属材料结构件最主要的连接方式为焊接。但是，大多数黑色金属(如纯铁、 碳钢、铸铁等)和有色金属(铝合金、铜合金、钛合金等)对焊接热都具有一定的敏感性。这些 材料经过焊接的热输入后，如果受到加热后的温度升高到上述强化元素的形成温度以上， 焊缝周边的晶粒、物相类型、析出相和位错的形态都会有一定的影响，如加热可能促进析出 相数量的增加，但也可能温度过高导致析出相尺寸的长大和相的变化、如温度升高后位错 密度会降低、如温度升高到再结晶温度以上后晶粒尺寸会进一步长大、如钢材料加热到正 火温度后可形成较多的珠光体强化相等。 为了描述焊接热对焊缝材料的性能影响，一般需清晰描述其热的输入方式，常用 焊接热循环描述，定义为焊缝及其附近的母材上某点的温度随时间变化的过程，用焊接热 循环曲线表示。包括最高温度和受热时间等参数。在金属材料焊接时，在焊缝接头的不同区 域所受到的热循环都不一样，因此会获得不同的热影响，如图1所示。因此，焊接接头的不同 细微区域受热后所发生的变化不一样。以低碳钢为例，如图2所示，在越接近焊缝的位置，其 热循环的最高温度越高，甚至可以达到其晶粒的相变区域，如图2中的位置3，其温度达到了 奥氏体化区域，在其焊接完成后相当于进行了正火处理，因此区域称为正火区，可形成较多 的正火珠光体相，其力学性能将获得改善。以6082铝合金为例，如图3所示，图中的位置为参 考点离焊缝中心的距离。如图所示，当距离小于一定距离时，其温度超过150℃后，6082铝合 金中的析出相的状态将受到显著的变化，如当温度超过480℃后，析出相会发生溶解，在随 3 CN 111581862 A 说 明 书 2/10 页 后的降温过程后化学元素形成固溶体状态，其强化效果不如原始析出相强化状态的强度； 当温度超过235℃时，析出相的尺寸将明显发生粗化，其强化效果显著降低，力学性能降低。 由于焊接接头的不同区域所经历的热循环不同，因此不同区域在焊接后的热影响(即最终 的性能不同)。 由上述可知，焊机后可能对焊接接头不同区域的性能强化或弱化。因此，当焊接件 在工程中应用的时候，常需要知道焊接接头各微观区域的力学性能，用于预测焊接结构的 力学性能薄弱区所在位置或接头服役过程中的失效位置。另外，在结构件的有限元仿真强 度校核计算时，往往也需要知道这些微区的力学性能参数，如应力—曲线等数据。 通过实验测试，如焊接接头的拉伸实验(测试方法对应国标为GB-T 2651)可以获 得焊接接头的整体强度和断后伸长率等参数。但所获得的性能指标仍不能完整的或精细的 焊接接头力学性能的精细表征，还需要对各微观区域的力学性能(屈服强度、抗拉强度、伸 长率等)。一般做法是在各微观区域平行于焊缝截面进行切片制作拉伸试样进行拉伸实验。 但当所焊接的材料厚度较薄时，所获得的焊接拉伸试样宽度不够，达不到GB-T 2651的试样 规定尺寸的要求，因此不能开展类似的力学性能表征。 目前，在现有文献中报道了一些焊接接头局部力学性能的测试方法，如：微剪切试 验、微拉伸试验、微冲压试验、人工神经网络预测、Gleeble热循环加载模拟等[1-5]。鉴于焊 接接头各区域的范围较小，微剪切试验和微拉伸试验方法虽然可行，但样件的制备费时、成 本高。微冲压试验则需要先获得力-位移曲线，然后进行有限元反向迭代，由于压头与被测 材料之间存在摩擦且难以估计，测量精度会受到影响。采用人工神经网络预测的方法测试 焊接接头局部力学性能，前提需要有足够的样本数据，才能保证预测的结果可靠，该方法的 工作量巨大。而Gleeble热循环模拟的方法是通过模拟焊接过程中的热循环特征，探究合金 的性能变化，该方法试验费用较高，且难以反映实际焊接时热影响区的真实情况。此外，采 用微试样测试方法，因为样品尺寸比较小，其实验测试精度对尺寸敏感，结果不准确、误差 大。 参考文献： [1]刘静安，王元良，孙鸿.车辆用铝合金型材焊接接头微区性能研究[J].轻合金 加工技术(1):41-43. [2]Lavan D A.Microtensile properties of weld metal[J] .Experimental Techniques，1999，23(3):31-34. [3]王志成，乔及森，陈剑虹，等.轿车用铝合金焊接接头局部力学性能分析[J].焊 接学报，2009，30(1) . [4]石圩,樊丁,陈剑虹.基于神经网络方法的焊接接头力学性能预测[J].焊接学 报，2004，25(2):73-76. [5]Wen Liu，Fenggui Lu，Renjie Yang，et al .Gle-eble simulation of the HAZ in Inconel 617welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2015， 225:221-228.
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法， 4 CN 111581862 A 说 明 书 3/10 页 以高效、准确可靠地预测焊接接头微区力学性能。 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下： 一种焊接接头微区力学性能的等效测试方法，包括如下步骤： S1、提供平板状焊接试样，所述焊接试样具有至少1条直线边；以所述直线边所在 位置为起点，沿垂直于所述直线边且平行于焊接试样的方向，将所述焊接试样依次划分为 微区L1、微区L2、微区L3、……、微区Ln； 其中，n为正整数；单个微区的厚度不超过2mm； S2、沿所述直线边在焊接试样上施加一道焊缝，同时，分别监测各个微区的温度变 化情况，获得各个微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； 或者，沿所述直线边在焊接试样上施加一道焊缝，并对所述焊接试样进行同条件 下的温度场有限元仿真，获得各个微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； S3、根据各微区的划分情况，对S2处理后的焊接试样进行切割处理，获得拉伸试样 l1、拉伸试样l2、拉伸试样l3、……、拉伸试样ln； S4、对S3获得的各拉伸试样进行拉伸力学性能检测，获得各拉伸试样的力学性能 数据，并建立所述拉伸力学性能数据与焊接热循环曲线和/或最高温度的对应关系数据库； S5、取与所述焊接试样同材质的待测试样，以目标焊接工艺参数进行焊接，同时， 监测待测试样上目标微区的温度变化情况，获得目标微区的焊接热循环曲线和/或最高温 度； 或者，取与所述焊接试样同材质的待测试样，对该待测试样进行目标焊接工艺参 数下的温度场有限元模拟，获取目标微区的焊接热循环曲线和/或最高温度； S6、将S5获得的焊接热循环曲线和/或最高温度与S4获得的对应关系数据库进行 比对，获得目标微区的拉伸力学性能。 本发明中，最高温度可以理解为相应焊接热循环曲线上温度的最大值。通过最高 温度进行对应及比对，可进一步简化数据库。 单个微区的厚度是指微区在沿垂直于所述直线边且平行于焊接试样的方向的尺 寸。 可选的，以所述直角边的中点所在位置为起点，沿垂直于所述直线边且平行于焊 接试样的方向，将所述焊接试样依次划分为微区L1、微区L2、微区L3、……、微区Ln； 进一步地，S1中，3≤n≤20。 进一步地，S1中，所述焊接试样的厚度t为8-12mm。 进一步地，S1中，所述单个微区的厚度为0.8-1.2mm。 进一步地，S2和/或S5中，可选的，通过接触式测温手段或非接触式测温手段检测 相应微区的温度变化情况，进一步可选的，通过热电偶检测相应微区的温度变化情况；进一 步可选的，通过红外测温装置检测相应微区的温度变化情况。 进一步地，S3中，所述待测试样包括角接接头、对接接头、搭接接头中的至少一种。 进一步地，S4中，所述拉伸力学性能包括抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、应变硬 化指数中的至少一种。 进一步地，试样为铝合金、铜合金、钛合金、纯铁、碳钢、铸铁中的一种。 可选的，所述铝合金为6000系铝合金，进一步为6082铝合金或6061铝合金。 5 CN 111581862 A 说 明 书 4/10 页 通过本发明的等效测试方法，一方面可以有效的开展薄壁焊接接头的微区性能表 征，另一方面，本发明将焊接接头的焊接温度循环曲线或最高温度与目标接头各区域的焊 接温度循环曲线或最高温度进行对应，进而获知目标接头目标位置的力学性能，不需要进 行复杂的制样，简化了测试工艺；因此，采用本方法对焊接接头微区的力学性能预测效率 高、准确可靠。 通过本发明的等效测试方法，可以预测通过某种焊接参数焊接后，焊接接头各微 区的性能，从而不断优化或选择合适的焊接参数。 附图说明 图1是焊接接头的热循环特征图。 图2是低碳钢焊接接头不同细微区域的热影响情况图。 图3是铝合金焊接过程中接头不同位置的温度变化曲线。 图4是焊接试样的断面结构示意图。 图5是焊接试样被夹紧状态的示意图。 图6是焊接试样的有限元网络模型。 图7为仿真(左)和实验(右)获得的焊接成形后的熔池形貌及截面尺寸对比图。 图8为A1、A2、A3点仿真和实验的温度变化曲线对比图。 图9为仿真所获得的焊接过程中样板各微区处于最高温度状态时的温度场分布云 图。 图10(a)为分层取样情况示意图；图10(b)为单个拉伸试样的俯视图。 图11为各等效拉伸试样的工程应力-应变曲线图。 图12为待测试样温度测量点示意图。 图13是仿真及实验的测试点温度变化曲线对比图。 图14为待测试样的温度场分布图。 图15为由待测试样制得的拉伸试样图。 图16为待测试样的仿真网格模型。 图17为待测试样的拉伸有限元模拟结果和试验结果的力-位移曲线。 图中，1-焊接试样，2-夹持装置。
